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第一章计算机图形学与OpenGL

计算机图形学作为计算机科学与技术学科的一个独立分支已经历了近40年的发展历

程。一方面,作为一个学科,计算机图形学在图形基础算法、图形软件与图形硬件三方面取得

了长足的进步,成为当代几乎所有科学和工程技术领域用来加强信息理解和传递的技术和工

具。另一方面,计算机图形学的硬件和软件本身已发展成为一个巨大的产业,1996年总产值达

500亿美元,预计到2000年将达到1000亿美元。因此,当前全世界从事计算机图形学研究、

应用和产业的队伍十分庞大,这也是为什么每年参加SIG-GRAPH年会的人数多达3～4万人

的理由。

计算机图形学在我国虽然起步较晚,然而它的发展却十分迅速。我国的主要高校都开设

了多门计算机图形学的课程,并有一批从事图形学基础和应用研究的研究所。在浙江大学建

立的计算机辅助与图形学国家重点实验室,已成为我国从事计算机图形学研究的重要基地之

一。我国学者的论文从80年代后期开始进入国际一流的SIGGRAPH和Eurographics等学术

会议和重要的学术刊物,标志着我国在这一领域的研究水平已接近或部分达到国际先进水

平。

1.1图形的概念

图1.1广义上的图形图1.2图形学意义上的图形

1、广义的图形概念

凡是能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象都称为图形。如：

（1）自然景物

（2）照片和图片

（3）工程图、设计图和方框图

（4）人工美术绘画、雕塑品

（5）用数学方法描述的图形（包括几何图形、代数方程、分析表达式或列表所确定的

图形）

图1.1就是一个广义层面上的图形。

2、计算机图形学中的图形概念

是指由点、线、面、体等几何要素和明暗、灰度（亮度）、色彩等非几何要素构成的，

从现实世界中抽象出来的带有灰度、色彩及形状的图或形。如图1.2所示。

1.2计算机图形学的研究内容

计算机图形学(computergraphics,CG)用计算机生成景物的数字模型，并将它显示在计算

机屏幕上，或者绘制在纸张或胶片上。它是研究如何在计算机环境下生成、处理和显示图形

的一门学科。

计算机图形学的主要研究对象是：景物的几何建模方法(modeling)、对模型的处理方法、

几何模型的绘制技术(rendering)、图形输入和控制的人机交互界面(userinterface)。

1.3计算机图形学的发展史

1.3.1计算机图形设备和交互技术

1946年，第一台电子计算机的问世（如图1.3所示）推动了许多学科的发展和新学科的

建立，其中就包括现代图形学技术。

图1.3第一台电子计算机

1959年，美国Calcomp公司研制出的世界上第一台滚筒式绘图机，使计算机辅助绘图

仪开始代替人工绘图。

图1.4第一台滚筒式绘图机图1.5I.E.萨瑟兰德

20世纪50年代末期，美国MIT林肯实验室研制出的空中防御系统标志着交互式图形

技术的诞生。

1962年，I.E.萨瑟兰德在其博士论文《SKETCHPAD:一个人机通信的图形系统》中首次

提出计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想。这些基本理论和技术至

今仍是现代图形技术的基础。

1.3.2计算机图形软件系统

早期的绘图软件大都采用线框式图形数据结构，该结构特别适合于图形的几何变换和交

互显示，但无法在计算机内完整地定义三维物体。

20世纪60年代末期开始研究和发展实体造型技术，如英国剑桥大学的I.C.Braid的

BUILD系统、美国罗彻斯特大学的PADL-1系统和日本北海道大学的TIPS-1系统。这些系

统都在计算机内提供了对物体的完整的几何定义，可随时提取所需信息。

目前国际上应用较广的实体造型系统有IBM公司的CADAM、DassaultSystem公司的

CATIA、SDRC公司的Geomod、PT公司的Pro/Engineer、SpatialTechnology公司的ACIS、

Solidworks公司的